Методичка Расчет термодин.циклов ТД_14.03.13
.pdf
РАСЧЕТ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО ЦИКЛА ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ
Омск-2013
Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
(СибАДИ)»
Кафедра «Тепловыедвигателииавтотракторноеэлектрооборудование»
РАСЧЕТ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО ЦИКЛА ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ
Методические указания к выполнению курсовой и контрольной работы
по дисциплинам "Теплотехника", "Техническая термодинамика",
для студентов специальностей
190601,140501,190201,190603
и направлений
141100, 190601,190101,190700.
Составители:
Иванов А.Л., Подгурский В.И.
Омск
СибАДИ
2013
1
УДК … ББК …
Рецензент
Работа одобрена научно-методическим советом в качестве методических указаний для студентов специальностей 19060,140501,190201,190603 и направле-
ний 141100, 190601,190101,190700.
Расчет термодинамического цикла теплового двигателя: Методические ука-
зания к выполнению курсовой работы по дисциплинам "Теплотехника", "Техническая термодинамика", для студентов специальностей 190601, 140501, 190201, 190603 и направлений 141100, 190601, 190101, 190700. / сост.: Иванов А.Л., Подгурский В.И. Омск: Изд-во СибАДИ, 2013. 36 с.
Приводится текст аннотации.
……………………………………………………………………………………..
Табл. 3. Ил.5. Библиогр.:5 назв.
ФГБОУ ВПО «СибАДИ»,2013
2
Оглавление |
|
Введение.................................................................................................. |
4 |
1. Термодинамические процессы, составляющие |
|
термодинамический цикл идеализированного теплового двигателя... |
5 |
1.1. Расчет параметров характерных точек цикла............................. |
7 |
1.2. Термический КПД цикла.............................................................. |
9 |
2. Учёт внешних условий при осуществлении |
|
термодинамического цикла в тепловых двигателях........................... |
11 |
3. Методические указания по проведению расчета |
|
термодинамического цикла тепловых двигателей.............................. |
13 |
3.1. Задания........................................................................................ |
13 |
3.2. Расчёт и исследование цикла при с=const................................. |
15 |
3.3. Графическое представление цикла в координатах P-v, T-S..... |
15 |
3.4 Приёмы самоконтроля................................................................. |
18 |
3.5. Требования, предъявляемые к оформлению результатов |
|
расчёта и исследования цикла.............................................................. |
19 |
3.6. Пример расчёта термодинамического цикла............................ |
20 |
Задания для выполнения курсовой работы............................................. |
|
Библиографический список.................................................................. |
33 |
Приложение........................................................................................... |
34 |
3
ВВЕДЕНИЕ
Основнымтипомэнергетическойустановкинавсехвидах транспорта (железнодорожный, речной, морской, автомобильный и воздушный), на сельскохозяйственных и дорожно-строительных машинах, являются тепловыедвигатели.
Из тепловых двигателей наибольшее распространение получили двигатели внутреннего сгорания. На их долю приходится 90% суммарной мощности тепловых двигателей. В этих условиях даже относительно небольшое повышение эффективности тепловых двигателей будет способствовать существенной экономии топлива.
Для будущих специалистов автомобильного транспорта особое значение имеют вопросы, связанные с совершенствованием тепловых двигателей, повышением коэффициентов полезного действия путём выбора оптимальных процессов термодинамических циклов, наиболее рациональных тепловых схем и наивыгоднейших параметров состояния рабочих тел.
Исследование зависимостей основных показателей работы теплового двигателя от его конструктивных параметров, а также от различных внешних факторов и является целью настоящей работы и позволяет найти путь оптимизации рабочего процесса теплового двигателя, обеспечив его экономическую работу при условии получения наибольшей мощности.
4
1. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, СОСТАВЛЯЮЩИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ЦИКЛ ИДЕАЛИЗИРОВАННОГО ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ
Для превращения теплоты в работу в тепловом двигателе используется способность газов (воздуха в том числе) значительно расширяться при подводе к ним. Получение работы с помощью теплового двигателя в достаточном для потребителя количестве требует многократного повторения процесса расширения рабочего. Повторять данный процесс можно при условии, что рабочее тело возвращается в исходное состояние. Это становится возможным после совершения дополнительных процессов, после совершения, которых рабочее тело возвращается в исходное состояние. Совокупность термодинамических процессов, в результате совершения которых система возвращается в исходное состояние, называются термодинамическим циклом. В циклах возможны различные процессы, и удобно исследовать их графически. Термодинамические циклы изображаются в системах координат P-V или T-S, где цикл представлен последовательно изображенными термодинамическими процессами.
Термодинамические циклы бывают прямыми и обратными. Циклы, в которых теплота, подводимая к рабочему телу, преобра-
зуется в механическую работу, называются прямыми циклами. Представленные данные циклы лежат в основе действия всех тепловых двигателей. В данном случае работа цикла положительная (L>0). При графическом построении данные циклыпротекают по часовой стрелке.
Циклы, в которых внешняя работа затрачивается на то, чтобы сжать рабочее тело, а после этого его теплоту передать внешней среде, называются обратными. Это циклы холодильной машины. В данном случае работа цикла отрицательна (L<0). На основе обратных циклов работают холодильные установки, бытовые холодильники, а также тепловые насосы. При графическом изображении данные циклы протекают против часовой стрелки.
Для того чтобы исследовать работу теплового двигателя термодинамическими методами применяют следующие допущения:
–рабочее тело в цикле рассматривается как идеальный газ с постоянной теплоемкостью;
–процесс сгорания топлива в камере сгорания двигателя заменяется процессом подвода теплоты q1 из внешней среды через стенки цилиндра;
5
–процесс удаления горячих отработавших газов из цилиндра двигателя в атмосферу и процесс впуска свежего (холодного) рабочего тела из внешней среды, заменяется процессом отводом теплоты q2 в окружающую среду через стенки цилиндра;
–потери на трение между цилиндром и поршнем, а также между другими деталями двигателя, отсутствуют;
–потери рабочего тела отсутствуют (например, между цилиндром
ипоршнем). Система замкнута.
- потери теплоты отсутствуют (например, черезстенкицилиндра). При данных допущениях можно представить работу теплового
двигателя в виде термодинамического цикла.
Пример термодинамического цикла в координатах P-V и T-S приведён на рисунке 1.
Рис.1. Термодинамический цикл теплового двигателя.
6
1.1. Расчет параметров характерных точек цикла
При расчете параметров двигателей приняты следующие обозначения:
|
a |
|
va |
‒ степень адиабатного сжатия; |
|
||||
|
|
vc |
||
λpz ‒ степень изменения давления в процессе подвода теплоты; pc
ρvz ‒ степень изменения объема в том же процессе;
vc
n1, c1 ‒ показатель политропного процесса подвода теплоты CZ и его теплоемкость;
n2 , c2 ‒ показатель политропного процесса отвода теплоты ВА и его теплоемкость;
k cp
cv ‒ показатель адиабатного процесса, равный отношению изобарной и изохорной теплоемкостей.
- Точка А. Параметры pa и Ta задаются при исследовании термодинамического цикла теплового двигателя. Состояние термодинамической системы (рабочего тела) в этой точке соответствует параметрам окружающей среды вокруг двигателя (для двигателей без турбокомпрессора).
С помощью уравнения состояния идеального газа находится значение удельного объема 1 кг рабочего тела va,
v |
a |
|
RTa |
. |
(1) |
|
|||||
|
|
pa |
|
||
- Точка С. В процессе АС происходит адиабатное сжатие рабочего тела. Для процесса АС существует следующая связь между параметрами в точках А и С:
|
k |
|
k |
; |
T vk 1 |
T vk 1 |
, |
p v~ p v |
|
||||||
c |
|
a a |
|
c c |
a a |
|
|
отсюда можно вычислить значения параметров в точке С:
|
va |
k |
k |
|
|
|
|
|
|
||
|
paεa |
; |
(2) |
||
pc pa |
|
|
|||
vc |
|
|
|
||
7
|
|
|
k 1 |
|
|
k 1 |
|
|
||||
|
va |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
Taεa |
. |
(3) |
|||||||
Tc Ta |
|
|
|
|
|
|||||||
vc |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Степень сжатия: |
|
|
|
va |
|
|
|
|
|
|
||
v |
c |
|
. |
|
|
|
(4) |
|||||
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
εa |
|
|
|
|
|
|
|
|
Точка Z. Согласно определению, рz pc , vz |
ρvc , а с учетом (2) |
|||||||||||
и (4) |
|
|
pa εak ; |
|
|
|||||||
рz |
|
(5) |
||||||||||
|
v |
z |
v |
a |
|
ρ |
. |
|
(6) |
|||
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
εa |
|
|
||||
Для точек C и Z напишем уравнения состояния:
рcvc RTc ;
рzvz RTz ,
иподелив почленно, второе на первое тогда получим λρ Tz ,
Tc
откуда с учетом (3) найдем:
Tz Taλρεka 1.
Точка В. Согласно изображению цикла в координатах можнонаписать:
s c1 ln Tz c2 ln Tb , Tc Ta
(7) Ts (см. рис. 1),
откуда
|
|
|
|
|
|
|
|
c1 |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
c2 |
|
|
|
|
||||||
|
|
Tb |
|
|
Tz |
|
, |
|
||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
Ta T |
|
|
|
|||||||||||
а с учетом (8) и (12) |
|
|
|
|
c |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
c |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
T |
T λρ |
1 |
. |
(8) |
||||||||||
|
|
c2 |
||||||||||||||
|
|
|
b |
a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Кроме того, для политропы ВА справедливо |
|
|||||||||||||||
p |
vn2 |
p |
vn2 , |
T vn2 1 |
|
T vn2 1 |
; |
|||||||||
b |
b |
a |
a |
|
|
b |
b |
|
a a |
|
||||||
в соответствии с чем |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
Tа |
|
n2 1 |
|
|
||||||
|
|
vb |
|
|
|
, |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
va T |
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
b |
|
|
|
|
|||||
или с учетом (8)
8
|
|
|
|
c1 |
|
|||
vb va λρ |
c2(1 n2) |
, |
(9) |
|||||
где |
|
|
c2 cp |
|
|
|
||
n |
2 |
|
. |
(10) |
||||
|
||||||||
|
|
c2 cv |
|
|||||
Давление рb можно определить из уравнения состояния:
p |
b |
|
RTb |
. |
(11) |
|
|||||
|
|
vb |
|
||
1.2. Термический КПД цикла
КПД термодинамического двигателя характеризует степень использования теплоты. В общем виде термический КПД теплового двигателя определяется по формуле:
ηt 1 q2 . q1
|
|
|
|
|
|
|
|
q |
|
|
CZ и BA |
|
Из определения теплоемкости |
c |
|
|
|
для политроп |
|||||||
T |
||||||||||||
можно записать: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
q1 c1(Tz |
Tc ); |
|
(12) |
|||||||||
|
|
|||||||||||
Тогда |
q2 c2 (Tb Ta ). |
|
(13) |
|||||||||
|
|
Tb Ta |
|
|
|
|
||||||
ηt |
1 |
|
|
, |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
c1 |
(T |
|
T ) |
|
|
|
|||
|
|
|
c2 |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
z |
|
|
c |
|
|
|
||
а с учетом (3), (7) и (8) после несложных преобразований получим:
|
|
|
|
|
|
|
|
c1 |
|
|
|
ηt |
1 |
1 |
|
|
(λρ)c2 1 |
. |
(14) |
||||
εk |
1 |
|
c1 |
(λρ 1) |
|||||||
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
a |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
c2 |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В таком виде формула для ηt применима для простейших термодинамических циклов любых газовых двигателей.
Действительно при с1 с2 получим:
ηt |
1 |
1 |
(15) |
|
εak 1 |
||||
|
|
|
||
|
9 |
|
|